JP5078085B2 - オイル循環率測定装置及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、空調装置や冷凍装置等における冷凍サイクルを循環する冷媒と非相溶性潤滑油のオイル循環率を測定するオイル循環率測定装置に係り、特にヒートポンプシステム内を循環する冷媒に混入するオイルのオイル循環率を測定できるオイル循環率測定装置及びその方法に関するものである。

従来より、空調冷凍機やヒートポンプでは、コンプレッサで冷媒（フロン冷媒）を加圧し、凝縮器で放熱し、膨張弁からエバポレータ内に急激に噴出させて気化させ、このとき周囲から気化熱を奪って冷却することにより室内等を冷暖房している。このシステム内において、機械的駆動部を有するコンプレッサは、自身の潤滑のために潤滑油（オイル）が必要である。このオイルの一部は冷媒とともにシステム内を循環しているが、それ自身は熱伝導率が低いなどの理由で、システムの効率の点ではマイナスの要因となっている。そのため、システム内のオイル量を制御するために、オイル量の指標であるオイル循環率（Oil Circulation Ratio ：ＯＣＲ）の測定の要求がある。また、ＣＯ₂ ヒートポンプシステムでも同様の要求がある。そして、ＯＣＲは、系全体の質量流量に対するオイルの質量流量の比で定義されている。

ところで、従来のフロン冷媒におけるＯＣＲ測定法としては、例えばＪＩＳ Ｂ８６０６に規定されるサンプリング方式による測定法の他に、赤外線吸収方式、紫外線蛍光方式、オイル分離方式、静電容量方式等が知られている。サンプリング方式は、ヒートポンプシステム内の膨張弁の直前で配管に分岐を設け、真空にした耐圧容器を接続してサンプリングし、サンプリングした冷媒とオイルの混合流体の重量を測定して真空の耐圧容器から切り離し、冷媒を気化させてオイルのみにして重量を測定してＯＣＲを算出する方法である。赤外線吸収方式は、オイルと冷媒が相溶性の場合に、オイルに固有の吸収波長の吸光度を用いて、吸光度とオイル濃度の関係からＯＣＲを算出する方法である。紫外線蛍光方式は、オイルに相溶の蛍光剤をヒートポンプシステム内に投入し、紫外線を照射して蛍光強度を測定し、蛍光強度の違いよりＯＣＲを算出する方法である。オイル分離方式は、冷媒とオイルを遠心分離等の方法で完全に分離し、分離したオイルの量からＯＣＲを算出する方法である（下記特許文献１を参照）。静電容量方式は、冷媒とオイルの比誘電率の違いから、静電容量を測定してＯＣＲを算出する方法である（下記特許文献２を参照）。
特許第３４６１８２０号 特開２００３−２１６１１号公報

しかしながら、自然冷媒であるＣＯ₂ ヒートポンプシステムは、超臨界域で作動する高圧のサイクルであり、冷媒であるＣＯ₂ とオイルが非相溶性であるため２層に分離し、配管内の管壁表面ではオイルが波打つように流れ、それ以外の場所ではオイルの液滴が噴流状に流れて不均一に流動している。そして、このようなＣＯ₂ とオイルとが分離してサイクル中を不均一に流動している状態では、従来の光学的手法によるＯＣＲ測定が困難であった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、冷媒とオイルが非相溶性で２層流になっていてもオイル循環率を測定することができるオイル循環率測定装置及びその方法を提供することを目的とするものである。

上記した目的を達成するために、請求項１記載のオイル循環率測定装置は、圧縮機、ガスクーラ、膨張弁、蒸発器の順に配管接続されるヒートポンプシステムに用いられ、前記配管を循環する冷媒に混入されるオイルの循環率を測定するオイル循環率測定装置であって、
前記ガスクーラの下流側に設けられ、前記オイルが混入した冷媒の質量流量を測定する流量測定部と、
前記蒸発器の下流に設けられ、前記蒸発器からの前記冷媒に混入されるオイルの質量流量を測定するオイル量測定部と、
前記流量測定部にて測定された前記オイルが混入した冷媒の質量流量と前記オイル量測定部にて測定された前記オイルの質量流量との比から前記オイルの循環率を演算する演算部と、
を備えたことを特徴とする。

請求項２記載のオイル循環率測定装置は、請求項１記載のオイル循環率測定装置において、前記オイル量測定部は、前記蒸発器との間で接続された前記配管から滴下するオイル量を測定することを特徴とする。

請求項３記載のオイル循環率測定装置は、請求項１記載のオイル循環率測定装置において、前記蒸発器と前記オイル測定部との間に前記オイルが混入した冷媒を気化する冷媒気化部を備えたことを特徴とする。

請求項４記載のオイル循環率測定装置は、請求項３記載のオイル循環率測定装置において、前記冷媒気化部は、前記オイルが混入した冷媒における気相と液相とを分離する気液分離手段と、
前記オイル量測定部の導入側の配管を加熱する加熱手段との少なくとも一方を備えたことを特徴とする。

請求項５記載のオイル循環率測定方法は、圧縮機、ガスクーラ、膨張弁、蒸発器の順に配管接続されるヒートポンプシステムに用いられ、前記配管を循環する冷媒に混入されるオイルの循環率を測定するオイル循環率測定方法であって、
前記オイルが混入した冷媒の質量流量を前記ガスクーラと前記膨脹弁との間で測定するステップと、
前記蒸発器と前記圧縮機との間に配設された配管の切断箇所から滴下するオイルの質量流量を測定するステップと、
前記オイルが混入した冷媒の質量流量と前記オイルの質量流量との比から前記オイルの循環率を演算するステップと、
を含むことを特徴とする。

本発明のオイル循環率測定装置によれば、冷媒とオイルが非相溶性で２層流になっていても、オイルのみを分離してオイル流量を演算し、この演算したオイル流量からオイル循環率を測定することができる。

また、冷媒気化部を蒸発器とオイル量測定部との間に設けた構成によれば、蒸発器によって完全に冷媒（ＣＯ₂ ）が気化されなかった場合であっても、確実に冷媒（ＣＯ₂ ）を気化することができるため、正確なオイル循環率を測定することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら具体的に説明する。図１は本発明に係るオイル循環率測定装置が採用されるＣＯ₂ ヒートポンプシステムの概略構成図であり、図２は本発明に係るオイル循環率測定装置の概略構成図であり、図３は本発明に係るオイル循環率測定装置におけるオイル量測定部の概略構成を示す説明図であり、図４（ａ）〜（ｅ）はオイル滴の生成過程とそのオイル滴の検出方法を説明するための概略イメージ図であり、図５は演算方法２においてオイル滴のサイズの算出方法を説明するための説明図であり、図６は本発明に係るオイル循環率測定装置が採用される他の構成によるＣＯ₂ ヒートポンプシステムの概略構成図であり、図７は図６における気液分離手段の概略構成図である。

本例のオイル循環率測定装置は、図１に示すような例えば自然冷媒としてＣＯ₂ を利用したＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０に用いられ、自然冷媒であるＣＯ₂ に混入したオイル量の指標であるオイル循環率（ＯＣＲ）を測定するものである。

まず、図１に基づいて、本例のオイル循環率測定装置が採用されるＣＯ₂ ヒートポンプシステムの概略構成について説明する。図１に示すように、ＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０は、熱交換して気化した冷媒（ＣＯ₂ ）を高圧蒸気冷媒（ＣＯ₂ ）にするための圧縮機１１、高圧高温冷媒（ＣＯ₂ ）を高圧低温冷媒（ＣＯ₂ ）に冷却するガスクーラ１２、冷媒液（ＣＯ₂ ）にオイルが混入された混合流体の質量流量（Ｍ_all ）を測定する流量測定部１３、冷却された冷媒液（ＣＯ₂ ）を絞り膨張させて低圧・低温の液体混合体（蒸発冷媒（ＣＯ₂ ））にするための膨張弁１４、膨張弁１４によって一部蒸発した湿り蒸気冷媒（ＣＯ₂ ）を熱交換によって蒸発させるための蒸発器１５、流れるオイルの質量流量（Ｍ）を測定するオイル量測定部１６が、この順でオイル混入の冷媒（ＣＯ₂ ）が流れるように一つの循環系を形成して配管接続されている。
なお、図１のＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０では、膨張弁１４によって一部蒸発した湿り蒸気冷媒（ＣＯ₂ ）を蒸発器１５において完全に気化し、蒸発器１５通過後は気化した冷媒（ＣＯ₂ ）とオイルとに分離されているものとする。

そして、本例のオイル循環率測定装置１は、図２に示すように、流量測定部１３で測定した混合流体の質量流量（Ｍ_all ）と、オイル量測定部１６で測定したオイルの質量流量（Ｍ）から、ＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０におけるＯＣＲを演算部１７で演算している。以下、各構成について詳細に説明する。

流量測定部１３は、例えば流量計で構成され、ガスクーラ１２において冷却された冷媒液（ＣＯ₂ ）とオイルとが混入された混合流体の質量流量（Ｍ_all ）を測定し、この測定した混合流体の質量流量（Ｍ_all ）を演算部１７に出力している。

オイル量測定部１６は、図３に示すように、蒸発器１５から導かれた配管を切断し、この切断された配管から滴下するオイル滴を検出するサイトグラスで構成される。オイル測定部１６は、オイル滴のサイズ、単位時間当たりの滴下数に基づいてオイルの質量流量（Ｍ）を演算し、この演算したオイルの質量流量（Ｍ）を測定し、この測定したオイルの質量流量（Ｍ）を演算部１７に出力している。

ここで、オイル量測定部１６におけるオイル量の演算方法について、下記演算方法１〜３でそれぞれ説明する。

〔演算方法１〕
演算方法１としては、滴下しているオイルの大きさ、単位時間当たりの滴下数を測定してオイルの質量流量（Ｍ）を求めており、例えば、滴下しているオイルを球形と仮定してその直径をＤとすると、オイルの質量流量（Ｍ）は、下記式（１）から演算している。

なお、式（１）において、ρはオイルの比重、ｔは測定時間、Ｎは時間ｔの間に落ちたオイル滴の個数を表す。

また、上記演算方法１で使用されるオイル滴のカウント方法としては、例えば直進的な光源（レーザなど）を用いた投受光器などの光学的手法によって所定時間内におけるオイル滴の滴下数をカウントする方法、カメラなどの撮像手段によって所定時間内におけるオイル滴の滴下数をカウントする方法、オペレータの目視によって所定時間内におけるオイル滴の滴下数をカウントする方法などが挙げられる。

〔演算方法２〕
次に、演算方法２について説明する。演算方法２は、配管から滴下するオイルの滴下画像を撮像して画像処理し、この処理した画像におけるオイル滴の生成される時間が一定であると仮定とした場合のオイル滴のサイズ、オイル滴の個数とその個数が生成された時間よりオイル流量を演算する方法である。

図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、例えばある時間ｔ０，ｔ１，ｔ２において、オイル滴を図示のように滴下する。演算方法２では、この図４（ａ）〜（ｃ）に示す画像をそれぞれ撮像手段（カメラ）で撮像し、この撮像した画像から動いているオイル部分のみを抽出するため、図中のｔ１とｔ０、ｔ２とｔ１の画像の階調数の差分を求める。前記画像の階調数の差分を２値化した後、図４（ｄ）、（ｅ）に示すように、オイルの滴下を検出するために予め設定された３本の基準線をこの２値化した画像と組み合わせ、滴下したオイルが図中の３本の基準線を通過したときにオイル滴を１個としてカウントする。なお、生成時間はｔ２−ｔ０として計算する。

また、カウントされる１個のオイル滴のサイズは、図５に示すようにオイル滴の輪郭を抽出して中心軸を設定し、オイル滴が中心軸回りに一様であると仮定して、中心軸に対して直交する線で作られる断面を３６０°積分することによって作られる円の面積を積分することでオイル滴のサイズを演算することができる。そして、このように求められたオイル滴のサイズ、オイル滴の生成時間、オイル滴の個数に基づくオイルの質量流量（Ｍ）は、下記式（２）から演算している。

なお、式（２）において、ρはオイルの比重、ｔは測定時間、Ｎは時間ｔの間に落ちたオイル滴の個数を表す。

また、演算方法１、２で測定したオイル滴は、オイル戻し管１６ａを通じて系内に再び戻される構造となっている。

〔演算方法３〕
次に、演算方法３について説明する。演算方法３は、オイル量が多くて滴が生成されず、流れ落ちるような状態の場合には、バルブ１６ｃを閉じた後に所定時間計時しながらオイル戻し管１６ａに設けられた油量計１６ｂに溜まったオイル量を測定し、所定時間経過後に油量計１６ｂに貯留されたオイル量とその貯留時間とに基づき、下記式（３）からオイル質量流量（Ｍ）を演算している。なお、貯留したオイル量の測定が終了すると、バルブ１６ｃを開放して油量計１６ｂに貯留されたオイルを系内に再び戻している。

なお、式（３）において、ρはオイルの比重、Ｌは溜まったオイル量、Ｔはオイルが溜まるのにかかった時間を表す。

演算部１７は、流量測定部１３で測定した混合流体の質量流量（Ｍ_all ）と、オイル量測定部１６で測定したオイルの質量流量（Ｍ）との比から下記式４を用いてＯＣＲを演算する。

ＯＣＲ＝Ｍ／Ｍ_all …式（４）
なお、オイルの質量流量（Ｍ）については、温度と圧力をパラメータとするＣＯ₂ のオイルへの溶解度を補正する係数Ｃ（Ｐ，Ｔ）を考慮し、ＯＣＲ＝Ｍ×Ｃ（Ｐ，Ｔ）／Ｍ_all とすることによって、より正確なＯＣＲ測定が可能となる。

そして、上述したオイル循環率測定装置１を図１のＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０に採用した場合では、ガスクーラ１２からの冷媒（ＣＯ₂ ）にオイルが混入した混合流体の質量流量（Ｍ_all ）を求める。また、膨張弁１４によって一部蒸発した湿り蒸気冷媒（ＣＯ₂ ）が蒸発器１５によって完全に気化された状態で、オイル量測定部１６においてオイルの質量流量（Ｍ）を測定する。そして、流量測定部１３で測定した混合流体の質量流量（Ｍ_all ）と、オイル量測定部１６で測定したオイルの質量流量（Ｍ）との比からＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０内のＯＣＲを測定している。

次に、本例のオイル循環率測定装置１が採用されるＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０の他の構成例について説明する。なお、以下に説明するＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０では、図１のＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０と同様の構成要件については同一の番号を付してその説明を省略し、相違する構成要件についてのみ説明する。

図６に示すように、ＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０では、気液分離手段１８ａと加熱手段１８ｂとで構成される冷媒気化部１８を備え、図１における膨張弁１４によって一部蒸発した湿り蒸気冷媒（ＣＯ₂ ）が蒸発器１５において非相溶性の２層流である蒸発冷媒（ＣＯ₂ ）が完全に気化されない場合に、これを完全に気化させ、気化した冷媒（ＣＯ₂ ）とオイルとに分離する構成である。

気液分離手段１８ａは、図７に示すように液体の冷媒（ＣＯ₂ ）とオイルとを分離するためのアキュムレータで構成される。このアキュムレータは、液体を溜めておくレシーバの機能を有しており、気体である気相の冷媒（ＣＯ₂ ）と、液体である液相の冷媒（ＣＯ₂ ）とオイル（オイルは液相の冷媒（ＣＯ₂ ）よりも比重が重いため、液相の冷媒（ＣＯ₂ ）が上層、オイルが下層の２層になる）とに分離している。また、アキュムレータは、下層のオイルのみを気相の冷媒（ＣＯ₂ ）の圧力によって再度配管に戻すための管が設けられている。
そして、気液分離手段１８ａは、蒸発器１５で完全に気化されていない蒸気冷媒（ＣＯ₂ ）を気相の冷媒（ＣＯ₂ ）と、液相の冷媒（ＣＯ₂ ）＋オイルとに分離し、さらに気相の冷媒（ＣＯ₂ ）とオイルとを加熱手段１８ｂに流出している。

加熱手段１８ｂは、例えばヒータなどで構成され、気液分離手段１８ａとオイル量測定部１６との間の配管に設けられ、この配管を加熱することで液相の冷媒（ＣＯ₂ ）を熱交換によって蒸発させ、気液分離手段１８ａからオイルとともに流入した液相の冷媒（ＣＯ₂ ）を完全に気化させている。

そして、本例のオイル循環率測定装置を図６のＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０に採用した場合では、前述したように、ガスクーラ１２からの冷媒（ＣＯ₂ ）にオイルが混入した混合流体の質量流量（Ｍ_all ）を求める。また、蒸発器１５からの一部蒸発した湿り蒸気冷媒（ＣＯ₂ ）を、気液分離手段１８ａで気相の冷媒（ＣＯ₂ ）と、液相の冷媒（ＣＯ₂ ）＋オイルとに分離し、さらに加熱手段１８ｂで液相の冷媒（ＣＯ₂ ）を完全に気化させた後、オイル量測定部１６においてオイルの質量流量（Ｍ）を測定する。そして、流量測定部１３で測定した混合流体の質量流量（Ｍ_all ）と、オイル量測定部１６で測定したオイルの質量流量（Ｍ）との比からＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０内のＯＣＲを測定している。

このように、上述したオイル循環率測定装置１は、図１のＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０において、液化した冷媒（ＣＯ₂ ）とオイルの混合流体の質量流量（Ｍ_all ）を流量測定部１３で測定する。また、オイル量測定部１６において、蒸発器１５によって気化した冷媒（ＣＯ₂ ）と液体のオイルのみの状態にし、配管から滴下するオイル滴からオイルの質量流量（Ｍ）を測定する。そして、この測定されたの混合流体の質量流量（Ｍ_all ）とオイルの質量流量（Ｍ）との比からＯＣＲを測定している。
従って、ＣＯ₂ 冷媒とオイルが非相溶性、不均一な流れになっていてもＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０内のＯＣＲを正確に測定することができる。

また、本例のオイル循環率測定装置１を図６のＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０に採用すれば、冷媒気化部１８が蒸発器１５とオイル量測定部１６との間に設けられ、蒸発器１５によって完全に冷媒（ＣＯ₂ ）が気化されなかった場合であっても、冷媒気化部１８によって冷媒（ＣＯ₂ ）を確実に気化することができるので、ＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０内のＯＣＲを正確に測定することができる。

ところで、上述した図６のＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０では、冷媒気化部１８として気液分離手段１８ａと加熱手段１８ｂとを備えた構成としたが、例えば負荷変動に伴うヒートポンプシステム中の温度や圧力の変化に起因して発生する蒸発器１５からの一部蒸発した湿り蒸気冷媒（ＣＯ₂ ）を完全に気化させ、オイル量測定部１６に流入する前に気化した冷媒（ＣＯ₂ ）とオイルとに分離することができればよいので、使用する冷媒（ＣＯ₂ ）やオイルの量や使用環境によっては、気液分離手段１８ａと加熱手段１８ｂの少なくともどちらか一方を備えていればよい。

また、上記説明では、冷媒としてＣＯ₂ を用いたＣＯ₂ ヒートポンプシステム１０に採用した例で説明したが、これに限定されることはなく、例えばＲ４１０Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ２２、Ｒ１３４ａなどを冷媒として使用したヒートポンプシステムにも採用することができる。

以上、本願発明における最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術等はすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。

本発明に係るオイル循環率測定装置が採用されるＣＯ₂ ヒートポンプシステムの概略構成図である。 本発明に係るオイル循環率測定装置の概略構成図である。 本発明に係るオイル循環率測定装置におけるオイル量測定部の概略構成を示す説明図である。 （ａ）〜（ｅ） オイル滴の生成過程とそのオイル滴の検出方法を説明するための概略イメージ図である。 演算方法２においてオイル滴のサイズの算出方法を説明するための説明図である。 本発明に係るオイル循環率測定装置が採用される他の構成によるＣＯ₂ ヒートポンプシステムの概略構成図である。 図６における気液分離手段の概略構成図である。

符号の説明

１ オイル循環率測定装置
１０ ＣＯ₂ ヒートポンプシステム
１１ 圧縮機
１２ ガスクーラ
１３ 流量測定部（流量計）
１４ 膨張弁
１５ 蒸発器
１６ オイル量測定部（サイトグラス）
１６ａ オイル戻し管
１６ｂ 油量計
１６ｃ バルブ
１７ 演算部
１８ 冷媒気化部
１８ａ 気液分離手段（アキュムレータ）
１８ｂ 加熱手段

Claims (5)

1. 圧縮機、ガスクーラ、膨張弁、蒸発器の順に配管接続されるヒートポンプシステムに用いられ、前記配管を循環する冷媒に混入されるオイルの循環率を測定するオイル循環率測定装置であって、
   前記ガスクーラの下流側に設けられ、前記オイルが混入した冷媒の質量流量を測定する流量測定部と、
   前記蒸発器の下流に設けられ、前記蒸発器からの前記冷媒に混入されるオイルの質量流量を測定するオイル量測定部と、
   前記流量測定部にて測定された前記オイルが混入した冷媒の質量流量と前記オイル量測定部にて測定された前記オイルの質量流量との比から前記オイルの循環率を演算する演算部と、
   を備えたことを特徴とするオイル循環率測定装置。
2. 前記オイル量測定部は、前記蒸発器との間で接続された前記配管から滴下するオイル量を測定することを特徴とする請求項１記載のオイル循環率測定装置。
3. 前記蒸発器と前記オイル測定部との間に前記オイルが混入した冷媒を気化する冷媒気化部を備えたことを特徴とする請求項１記載のオイル循環率測定装置。
4. 前記冷媒気化部は、前記オイルが混入した冷媒における気相と液相とを分離する気液分離手段と、
   前記オイル量測定部の導入側の配管を加熱する加熱手段との少なくとも一方を備えたことを特徴とする請求項３記載のオイル循環率測定装置。
5. 圧縮機、ガスクーラ、膨張弁、蒸発器の順に配管接続されるヒートポンプシステムに用いられ、前記配管を循環する冷媒に混入されるオイルの循環率を測定するオイル循環率測定方法であって、
   前記オイルが混入した冷媒の質量流量を前記ガスクーラと前記膨脹弁との間で測定するステップと、
   前記蒸発器と前記圧縮機との間に配設された配管の切断箇所から滴下するオイルの質量流量を測定するステップと、
   前記オイルが混入した冷媒の質量流量と前記オイルの質量流量との比から前記オイルの循環率を演算するステップと、
   を含むことを特徴とするオイル循環率測定方法。

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